KR101557188B1 - 액정 렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 출원은 액정 렌즈, 광학 필터 및 디스플레이 장치에 관한 것이다. 본 출원의 예시적인 액정 렌즈는 입사되는 광의 편광 상태에 따라 광학 이방성 및 광학 등방성을 나타낼 수 있다. 이러한 액정 렌즈는, 평면 영상 및 입체 영상을 생성할 수 있는 디스플레이 장치에 적용할 경우, 광학 이방성을 나타내는 상태에서는 안경 없이 입체 영상을 감상할 수 있도록 하며, 광학 등방성을 나타내는 상태에서는 평면 영상을 감상할 수 있도록 할 수 있다.

Description

액정 렌즈{Liquid Crystal Lens}
본 출원은 액정 렌즈, 광학 필터 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 장치는 2차원 평면 영상을 표시한다. 최근 게임 또는 영화 등과 같은 분야에서 3차원 입체 영상에 대한 수요가 증가함에 따라, 3차원 입체 영상을 표시하는 표시 장치가 개발되고 있다. 3차원 입체 영상은 관찰자의 양안에 한 쌍의 2차원 평면 영상들이 입력되고, 관찰자의 뇌에서 상기 입력된 영상들이 융합되어 인식된다.
입체영상 디스플레이 장치(이항, 3D 장치)는 관찰자의 특수 안경의 착용 여부에 따라 안경식(stereo-scopic) 및 비안경식(auto stereo-scopic)으로 구분할 수 있다. 비안경식 장치에서는, 특허문헌 1에 기재되어 있는 패럴렉스 배리어(parallex barrier) 방식 또는 특허문헌 2에 기재되어 있는 렌티큘라 렌즈(lenticular lens) 방식 등이 주로 이용되고 있다.
대한민국공개특허 제10-2005-0119140호 대한민국공개특허 제10-2003-0088244호
본 출원은 액정 렌즈, 광학 필터 및 디스플레이 장치를 제공한다.
본 출원의 하나의 구현예는 렌즈층을 포함하는 액정 렌즈를 제공한다. 상기 렌즈층은 액정 분자를 포함하는 영역을 포함할 수 있다. 상기 액정 분자는, 예를 들면, 가교 또는 중합된 상태로 상기 영역에 포함될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 영역은 콜레스테릭 배향 영역일 수 있다. 상기 콜레스테릭 배향 영역(100)은, 도 1과 같이, 콜레스테릭 배향된 액정 분자를 포함할 수 있다. 콜레스테릭 배향된 액정 분자는, 액정 분자가 층을 이루며, 상기 액정 분자의 도파기(director)가 나선축(helical axis, H)을 따라 꼬이면서 배향한 나선형 구조를 가진다. 상기 나선형 구조에서 액정 분자의 도파기가 360도의 회전을 완성하기까지의 거리를 피치(pitch, P)라고 호칭한다.
상기 콜레스테릭 배향 영역은 플래너(planar) 배향 역역, 호메오트로픽(homeotropic) 배향 영역 또는 포컬 코틱(focal conic) 배향 영역일 수 있다. 상기 플래너 배향 영역은 상기 영역의 나선축이 렌즈층의 면에 수직한 상태로 배향되어 있는 영역일 수 있다. 상기 호메오트로픽 배향 영역은 상기 영역의 나선축이 렌즈층의 면에 평행한 상태로 배향되어 있는 영역일 수 있다. 그리고 포컬 코틱 배향 영역은 상기 영역의 나선축이 렌즈층의 면에 수직하지 않고, 수평하지도 않은 상태로 배향되어 있는 영역일 수 있다. 본 명세서에서 각도를 정의하면서, 수직, 평행, 직교 또는 수평 등의 용어를 사용하는 경우, 이는 목적하는 효과를 손상시키지 않는 범위에서의 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평을 의미하는 것으로, 예를 들면, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 감안한 오차를 포함하는 것이다. 예를 들면, 상기 용어는, 약 ±15도 이내의 오차, 약 ±10도 이내의 오차 또는 약 ±5도 이내의 오차를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서 콜레스테릭 배향 영역은 호메오트로픽 배향 영역일 수 있다. 호메오트로픽 배향 영역은, 상기 영역의 나선축(H)이, 도 1과 같이, 렌즈층의 면에 평행하도록 형성되어 있을 수 있다.
호메오트로픽 배향 영역은 상기 영역의 나선축과 수직하게 선편광된 광에 대하여 주기적인 굴절률 분포를 가질 수 있다. 상기 영역은, 예를 들면, 반피치(1/2 pitch)를 주기로 하는 굴절률 분포를 가질 수 있다. 하나의 예시에서 상기 영역은 하기 수식 1의 굴절률 분포를 가질 수 있다.
[수식 1]
neff(x) = neno / (ne 2 cos2θ(x) + no 2 sin2θ(x))1/2
상기 수식 1에서, x는 콜레스테릭 배향 영역의 좌표로서 0 내지 P/2 사이의 임의의 수이고, 상기에서 P는 콜레스테릭 배향 영역의 피치이며, neff(x)은 x 지점에서의 상기 선편광된 광에 대한 콜레스테릭 배향 영역의 굴절률이고, ne는 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 이상 굴절률(extra-ordinary refractive index)이며, no는 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 정상 굴절률(ordinary refractive index)이고, θ(x)는, x가 0인 지점에서의 액정 분자의 광축에 대한 해당 좌표에서의 액정 분자의 광축의 각도이다.
상기에서 x는, 도 1과 같이, 콜레스테릭 배향 영역에서 렌즈층의 면에 평행한 방향의 좌표로서 0 내지 P/2의 좌표값을 갖는다. 상기 0은, 도 1과 같이, 콜레스테릭 배향된 액정 분자의 피치가 시작하는 지점의 좌표이다. 하나의 예시에서 상기 피치가 시작하는 지점은 상기 액정 분자의 장축이 렌즈층의 면과 수평하게 형성된 지점일 수 있다. P/2는 콜레스테릭 배향된 액정 분자가 180도 회전한 지점의 좌표이다.
상기에서 θ(x)는, x가 0인 지점에서의 액정 분자의 광축에 대한 해당 좌표(x)에서의 액정 분자의 광축의 각도이므로, θ(0)은 0이다. 그리고, x가 P/4인 지점에서의 액정 분자의 광축은 x가 0인 지점에서의 액정 분자의 광축으로부터 90도 회전하였으므로, θ(P/4)는 π/2이다. 또한, x가 P/2인 지점에서의 액정 분자의 광축은 x가 0인 지점에서의 액정 분자의 광축으로부터 180도 회전하였으므로, θ(P/2)는 π이다.
θ(0) = 0, θ(P/4) = π/2 및 θ(P/2) = π를 상기 수식 1에 대입하면, neff(0) = neff(P/2) = no이고, neff(P/4) = ne인 값을 얻을 수 있다. 즉, 콜레스테릭 배향 영역은 0피치와 반피치(P/2)에서 정상 굴절률을 가지고, P/4에서 이상 굴절률을 가지는 굴절률 분포를 가질 수 있다.
상기 neff(x)은, 예를 들면, 550 nm의 파장을 가지고, 상기 영역의 나선축과 수직하게 선편광된 광에 대하여 x 지점에서 측정한 굴절률일 수 있다.
콜레스테릭 배향 영역의 반피치 내에서의 굴절률 분포를 상기 수식 1에 따라 조절하면, 렌즈층은 렌티큘라 렌즈와 같이 작용할 수 있다. 따라서, 액정 렌즈를, 예를 들면, 비안경식의 3D 장치에 적용하여 좌안용 영상 신호와 우안용 영상 신호를 분할하여 출사시킬 수 있다.
하나의 예시에서 렌즈층은, 하기 수식 2에 따라 결정되는 초점 거리(F)가 0.1 mm 내지 100 cm, 0.1 mm 내지 70 cm, 0.1 mm 내지 50 cm, 0.1 mm 내지 30 cm 또는 0.1 mm 내지 10 cm인 렌즈로서 작용할 수 있다.
[수식 2]
F = P2/(32×d×Δn)
상기 수식 2에서 P는, 콜레스테릭 배향 영역의 피치이고, d는 렌즈층의 두께이며, Δn는, 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 이상 굴절률(ne)과 정상 굴절률(no)의 차이(ne-no)이다.
액정 렌즈는 광의 편광 상태에 따라 광학 이방성 및 광학 등방성을 나타낼 수 있는 렌즈로서, 예를 들면, 2차원 평면 영상(2 dimensional image, 2D 영상) 및 3차원 입체 영상(3 dimensional image, 3D 영상)을 표시하는 비안경식 3D 장치에 적용될 수 있다.
상기 초점 거리(F)는, 예를 들면, 상기 영역의 나선축과 수직하게 선편광된 광에 대한 초점 거리일 수 있다. 이러한 초점 거리는, 예를 들면, 3D 장치의 시청 거리를 감안하여 제어될 수 있다. 또한, 초점 거리(F)를 제어하기 위하여 콜레스테릭 배향 영역의 피치 또는 복굴절률; 또는 렌즈층의 두께 등이 조절될 수 있다.
상기 콜레스테릭 배향 영역의 피치는, 예를 들면, 3D 장치의 표시 소자의 화소 크기 등을 고려하여 적절하게 제어될 수 있다. 하나의 예시에서 콜레스테릭 배향 영역의 피치는 0.1㎛ 내지 10 cm, 0.1㎛ 내지 5 cm, 0.1㎛ 내지 3 cm, 0.1㎛ 내지 1 cm, 0.1㎛ 내지 5000㎛ 또는 0.1㎛ 내지 3000㎛정도로 제어될 수 있다. 상기 피치를 상기 범위로 제어하는 경우 표시 소자로부터 전달된 우안용 및 좌안용 영상 신호가 액정 렌즈를 통하여 분할되어 출사될 수 있다.
또한, 적절한 거리에서 안경 없이 3D 영상을 시청할 수 있는 비안경식의 3D 장치를 제공하기 위하여, 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 이상 굴절률(ne)과 정상 굴절률(no)의 차이(ne-no)를 0.01 내지 0.6, 0.1 내지 0.6 또는 0.01 내지 0.5의 범위로 제어할 수 있다. 또한, 비안경식의 3D 장치의 적절한 시청 거리를 확보하기 위하여, 렌즈층의 두께를 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛, 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛으로 제어할 수 있다.
액정 렌즈는 기재층을 추가로 포함할 수 있다. 그리고, 기재층의 일면에는 렌즈층이 형성되어 있을 수 있다.
상기 기재층으로는, 액정 렌즈 또는 액정 렌즈의 제조에 통상적으로 사용되는 기재층을 제한 없이 사용할 수 있다. 기재층으로는, 예를 들면, 유리 기재층 또는 플라스틱 기재층 등을 예시할 수 있다. 플라스틱 기재층으로는, 예를 들면, TAC(triacetyl cellulose) 또는 DAC(diacetyl cellulose) 등과 같은 셀룰로오스 수지; 노르보르넨 유도체 등의 COP(cyclic olefin polymer); COC(cyclic olefin copolymer); PMMA(poly(methyl methacrylate) 등의 아크릴 수지; PC(polycarbonate); PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene) 등의 폴리올레핀; PVA(polyvinyl alcohol); PES(poly ether sulfone); PEEK(polyetheretherketone); PEI(polyetherimide); PEN(polyethylenenaphthalate); PET(polyethyleneterephthalate) 등의 폴리에스테르; PI(polyimide); PSF(polysulfone); 또는 불소 수지 등을 포함하는 시트 또는 필름이 예시될 수 있다. 상기 플라스틱 기재층은, 광학적으로 등방성이거나 혹은 이방성일 수 있다.
상기 기재층은, 자외선 차단제 또는 자외선 흡수제를 포함할 수 있다. 자외선 차단제 또는 흡수제를 기재층에 포함시키면, 자외선에 의한 렌즈층의 열화 등을 방지할 수 있다. 자외선 차단제 또는 흡수제로는, 살리실산 에스테르(salicylic acid ester) 화합물, 벤조페논(benzophenone) 화합물, 옥시벤조페논(oxybenzophenone) 화합물, 벤조트리아졸(benzotriazol) 화합물, 시아노 아크릴레이트(cyanoacrylate) 화합물 또는 벤조에이트(benzoate) 화합물 등과 같은 유기물 또는 산화아연(zinc oxide) 또는 니켈 착염(nickel complex salt) 등과 같은 무기물이 예시될 수 있다. 기재층 내의 자외선 차단제 또는 흡수제의 함량은 특별히 제한되지 않고, 목적 효과를 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 플라스틱 기재층의 제조 과정에서 상기 자외선 차단제 또는 흡수제를, 기재층의 주재료에 대한 중량 비율로 약 0.1 중량% 내지 25 중량% 정도로 포함시킬 수 있다.
기재층의 두께는 특별히 제한되지 않으며, 목적하는 용도에 따라서 적절하게 조절될 수 있다. 기재층은, 단층 또는 다층 구조일 수 있다.
상기 액정 렌즈는, 액정 분자의 배향을 위하여 기재층과 렌즈층 사이에 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 상기 배향막으로는, 이 분야에서 공지되어 있는 통상의 배향막, 예를 들면, 광배향막, (나노) 임프린팅 방식의 배향막 또는 러빙 배향막 등이 사용될 수 있다. 상기 배향막은 임의적인 구성이며, 경우에 따라서는, 기재층에 직접 러빙하거나 기재층을 연신하는 방식으로 배향막 없이 배향성을 부여할 수도 있다.
하나의 예시에서 상기 콜레스테릭 배향 영역이 호메오트로픽 배향 영역인 경우, 상기 배향막으로 수직 배향막을 사용할 수 있다. 상기 수직 배향막은 인접하는 액정 분자를 수직 배향막의 면에 수직하는 방향으로 배향하도록 배향성을 부여할 수 있는 배향막일 수 있다.
상기 액정 렌즈는 상술한 조건을 만족하도록 당 업계에 알려진 방법에 의하여 형성할 수 있다. 액정 렌즈에서 콜레스테릭 배향 영역은, 예를 들면, 기재층의 일면에 콜레스테릭 배향 액정 조성물로부터 콜레스테릭 배향 액정층을 형성하여 제조할 수 있다.
콜레스테릭 배향 영역이 형성될 기재층의 일면은, 예를 들면, 친수성을 가지는 표면일 수 있다. 상기 친수성을 가지는 기재층의 표면은, 예를 들면, 젖음각(wetting angle)이 0도 내지 50도, 0도 내지 40도, 0도 내지 30도, 0도 내지 20도 또는 0도 내지 10도일 수 있다.
상기 기재층의 표면의 젖음각은 물에 대한 젖음각일 수 있다. 상기에서 기재층의 물에 대한 젖음각을 측정하는 방식은 특별히 제한되지 않고, 이 분야에서 공지되어 있는 젖음각의 측정 방식을 사용할 수 있으며, 예를 들면, KRUSS사제의 DSA100 기기를 사용하여, 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다.
상기와 같은 젖음각을 가지는 기재층으로는, 표면에 적절한 친수화 처리를 수행한 기재층 또는 그 자체가 친수성 관능기를 포함하여 처음부터 친수성을 가지는 기재층을 사용할 수 있다.
상기에서 친수화 처리로는, 코로나 처리, 플라즈마 처리 또는 알칼리 처리 등이 예시될 수 있다. 상기 처리 조건은 특별히 제한되지 않는다. 이 분야에서는 기재층에 친수성을 부여하기 위한 다양한 방식들이 공지되어 있고, 상기와 같은 방식을 채용하여 기재층이 상기 젖음각을 나타내도록 친수화 처리를 수행할 수 있다.
상기와 같은 범위의 젖음각을 가지는 기재층 상에 콜레스테릭 배향 액정층을 형성하면, 배향막을 사용하지 않고도 콜레스테릭 배향 액정층의 배향이나 또는 배향된 콜레스테릭 배향 영역의 나선축을 목적하는 범위로 제어할 수 있는 이점이 있다. 그렇지만, 필요에 따라서 상기 기재층의 콜레스테릭 배향 액정층이 형성되는 면에는 전술한 배향막이 형성되어 있을 수 있다.
상기 젖음각을 가지는 기재층의 일면에 콜레스테릭 배향 액정 조성물을 적용하여, 콜레스테릭 배향 액정층을 형성할 수 있다. 상기에서 용어 콜레스테릭 배향 액정 조성물은, 콜레스테릭 배향 영역을 형성하기 위하여 사용될 수 있는 모든 종류의 조성물이 포함될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 조성물은, 네마틱 액정 분자 및 키랄제를 포함할 수 있다. 네마틱 액정 분자는 통상적으로 기다란 축 방향으로 배열되고, 층을 이루지는 않으며, 서로의 위치가 불규칙한 상태로 배열한다. 이러한 네마틱 액정 분자에 키랄제를 첨가하여 목적하는 나선 피치를 유발할 수 있다. 이때, 나선 피치는 하기 수식 3에 따라 조절될 수 있다.
[수식 3]
P = 1 / (Pt·c)
상기 수식 3에서 Pt는 키랄제의 뒤틀림 세기(twisting power)이고, c는 키랄제의 몰농도이다. 따라서 뒤틀림 세기가 큰 키랄제를 사용하거나 키랄제의 함량을 높게 조절하면, 키랄 네마틱 액정 분자의 피치를 짧게 만들 수 있다.
상기 네마틱 액정 분자는 당 업계에서 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 액정 분자로는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물이 예시될 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112013011695178-pat00001
상기 화학식 1에서 A는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R1 내지 R10은, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기, -U-Q-P 또는 하기 화학식 2의 치환기이거나, R1 내지 R5 중 인접하는 2개의 치환기의 쌍 또는 R6 내지 R10 중 인접하는 2개의 치환기의 쌍은 서로 연결되어 -U-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하되, R1 내지 R10 중 적어도 하나는 -U-Q-P 또는 하기 화학식 2의 치환기이거나, R1 내지 R5 중 인접하는 2개의 치환기 또는 R6 내지 R10 중 인접하는 2개의 치환기 중 적어도 하나의 쌍은 서로 연결되어 -U-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하고, 상기에서 U는 -O-, -COO- 또는 -OCO-이며, Q는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이고, P는, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기이다.
[화학식 2]
Figure 112013011695178-pat00002
상기 화학식 2에서 B는 단일 결합, -COO- 또는 -OCO-이고, R11 내지 R15는, 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 알킬기, 알콕시기, 알콕시카보닐기, 시아노기, 니트로기 또는 -U-Q-P이거나, R11 내지 R15 중 인접하는 2개의 치환기는 서로 연결되어 -U-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하되, R11 내지 R15 중 적어도 하나는 -U-Q-P이거나, R11 내지 R15 중 인접하는 2개의 치환기의 쌍은 서로 연결되어 -U-Q-P로 치환된 벤젠을 형성하고, 상기에서 U는 -O-, -COO- 또는 -OCO-이며, Q는 알킬렌기 또는 알킬리덴기이고, P는, 알케닐기, 에폭시기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기이다.
상기 화학식 1 및 2에서 인접하는 2개의 치환기는 서로 연결되어 -U-Q-P로 치환된 벤젠을 형성한다는 것은, 인접하는 2개의 치환기가 서로 연결되어 전체적으로 -U-Q-P로 치환된 나프탈렌 골격을 형성하는 것을 의미할 수 있다.
상기 화학식 2에서 B의 좌측의 부호
Figure 112013011695178-pat00003
는, B가 화학식 1의 벤젠에 직접 연결되어 있음을 의미할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 용어 단일 결합은, A 또는 B로 표시되는 부분에 별도의 원자가 존재하지 않는 경우를 의미한다. 예를 들어, 화학식 1에서 A가 단일 결합인 경우, A의 양측의 벤젠이 직접 연결되어 비페닐(biphenyl) 구조를 형성할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 할로겐으로는, 불소, 염소, 브롬 또는 요오드 등이 예시될 수 있다.
본 명세서에서 용어 알킬기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기 또는 탄소수 3 내지 20, 탄소수 3 내지 16 또는 탄소수 4 내지 12의 시클로알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
본 명세서에서 용어 알콕시기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알콕시기를 의미할 수 있다. 상기 알콕시기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알콕시기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 용어 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 4 내지 10 또는 탄소수 6 내지 9의 알킬렌기 또는 알킬리덴기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알킬렌기 또는 알킬리덴기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 알케닐기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 2 내지 20, 탄소수 2 내지 16, 탄소수 2 내지 12, 탄소수 2 내지 8 또는 탄소수 2 내지 4의 알케닐기를 의미할 수 있다. 상기 알케닐기는, 직쇄, 분지쇄 또는 고리형일 수 있다. 또한, 상기 알케닐기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 화학식 1 및 2에서 P는 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기 또는 메타크릴로일옥시기일 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 적어도 하나 이상 존재할 수 있는 -U-Q-P 또는 화학식 2의 잔기는, 예를 들면, R1, R8 또는 R13의 위치에 존재할 수 있고, 예를 들면, 상기는 1개 또는 2개가 존재할 수 있다. 또한, 상기 화학식 1의 화합물 또는 화학식 2의 잔기에서 -U-Q-P 또는 화학식 2의 잔기 이외의 치환기는 예를 들면, 수소, 할로겐, 탄소수 1 내지 4의 직쇄상 또는 분지쇄상의 알킬기, 탄소수 4 내지 12의 시클로알킬기, 시아노기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 또는 니트로기일 수 있다. 다른 예시에서 상기 -U-Q-P 또는 화학식 2의 잔기 이외의 치환기는 염소, 탄소수 1 내지 4의 직쇄상 또는 분지쇄상의 알킬기, 탄소수 4 내지 12의 시클로알킬기, 탄소수 1 내지 4의 알콕시기 또는 시아노기일 수 있다.
본 명세서에서 특정 화합물 또는 관능기에 치환되어 있을 수 있는 치환기로는, 알킬기, 알콕시기, 알케닐기, 에폭시기, 옥소기, 옥세타닐기, 머캅토기, 시아노기, 카복실기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 아크릴로일옥시기, 메타크릴로일옥시기 또는 아릴기 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서 키랄제(chiral agent)로는, 상기 액정의 액정성, 예를 들면, 네마틱 규칙성을 손상시키지 않고, 목적하는 나선 피치를 유발할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 액정에 나선 피치를 유발하기 위한 키랄제는 분자 구조 중에 키랄리티(chirality)를 적어도 포함할 필요가 있다. 키랄제로는, 예를 들면, 1개 또는 2개 이상의 비대칭 탄소(asymmetric carbon)를 가지는 화합물, 키랄 아민 또는 키랄 술폭시드 등의 헤테로원자 상에 비대칭점(asymmetric point)이 있는 화합물 또는 크물렌(cumulene) 또는 비나프톨(binaphthol) 등의 축부제를 가지는 광학 활성인 부위(axially asymmetric, optically active site)를 가지는 화합물이 예시될 수 있다. 상기 키랄제는 예를 들면 분자량이 1,500 이하인 저분자 화합물일 수 있다. 예를 들면, 키랄제로는, 시판되는 키랄 네마틱 액정, 예를 들면, Merck사에서 시판되는 키랄 도판트 액정 S-811 또는 BASF사의 LC756 등을 사용할 수도 있다.
상기 키랄제는 화학식 1의 화합물 100 중량부에 대하여 1 중량부 내지 10 중량부의 비율로 사용될 수 있다. 키랄제의 함량을 상기와 같이 조절함으로써, 콜레스테릭 배향 영역의 나선형 비틀림을 효과적으로 유도할 수 있다. 본 명세서에서 특별히 달리 규정하지 않는 한, 단위 중량부는 중량의 비율을 의미할 수 있다.
또한, 상기 조성물은, 화학식 1로 표시되는 화합물의 중합 또는 가교를 위한 개시제 또는 가교제 등을 추가로 포함할 수 있다. 적절한 중합 개시제는 중합 또는 가교를 개시하고 전파하기 위해 자유 라디칼을 발생시킬 수 있는 것을 포함할 수 있다. 자유 라디칼 개시제는 예를 들어 안정성 또는 반감기에 따라 선택될 수 있다. 이러한 자유 라디칼 개시제로는 흡수 또는 다른 방식에 의해 콜레스테릭 배향 영역에서 추가의 색을 발생하지 않는 것을 사용할 수 있다. 자유 라디칼 개시제는 전형적으로 열적 자유 라디칼 개시제 또는 광개시제이다. 열적 자유 라디칼 개시제는 예를 들어 퍼옥시드, 퍼술페이트 또는 아조니트릴 화합물을 포함할 수 있다. 자유 라디칼 개시제는 열적 분해시에 자유 라디칼을 생성한다.
전자기 복사선 또는 입자 조사에 의해 광개시제가 활성화될 수 있다. 적절한 광개시제의 예는 오늄 염 광개시제, 유기 금속 광개시제, 양이온성 금속 염 광개시제, 광분해가능한 유기실란, 잠재성 술폰산, 포스핀 옥시드, 시클로헥실 페닐케톤, 아민 치환된 아세토페논 및 벤조페논을 포함할 수 있다. 일반적으로, 다른 광원들이 사용될 수 있지만 광개시제를 활성화시키기 위해 자외선(UV) 조사가 사용될 수 있다. 광개시제는 광의 특정 파장의 흡수를 기초로 하여 선택될 수 있다.
액정 조성물은, 개시제를 화학식 1의 화합물 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 내지 10 중량부의 비율로 포함할 수 있다. 개시제의 함량을 상기와 같이 조절함으로써, 액정 분자의 효과적인 중합 및 가교를 유도하고, 중합 및 가교 후에 잔존 개시제에 의한 물성 저하를 방지할 수 있다.
콜레스테릭 배향 액정 조성물은 전형적으로 하나 이상의 용매를 포함하는 코팅 조성물의 일부일 수 있다. 용매로는, 예를 들면, 클로로포름, 디클로로메탄, 테트라클로로에탄, 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌 및 클로로벤젠 등의 할로겐화 탄화수소류; 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 메톡시 벤젠 및 1,2-디메톡시벤젠 등의 방향족 탄화수소류; 메탄올, 에탄올, 프로판올 및 이소프로판올 등의 알코올류; 아세톤, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 및 시클로펜타논 등의 케톤류; 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브 및 부틸셀로솔브 등의 셀로솔브류; 디에틸렌글리콜 디메틸에테르(DEGDME) 및 디프로필렌글리콜 디메틸에테르(DPGDME)등의 에테르류 등을 들 수 있다. 또한, 상기 용매의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 코팅 효율이나 건조 효율 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
또한, 액정 조성물은, 계면 활성제를 추가로 포함할 수 있다. 상기 계면 활성제는 액정 표면에 분포하여 표면을 고르게 만들어 줄 뿐만 아니라, 액정 배향을 안정화시켜 콜레스테릭 배향 액정층의 형성 후에 표면이 매끄럽게 유지할 수 있도록 하며, 그 결과 외관 품질을 향상시킬 수 있다.
계면 활성제로는, 예를 들면, 플루오르 카본 계열의 계면 활성제 및/또는 실리콘 계열의 계면 활성제가 사용될 수 있다. 플루오르 카본 계열의 계면활성제로는 3M사 제조 제품인 플루오라드(Fluorad) FC4430™, 플루오라드 FC4432™, 플루오라드 FC4434™와 Dupont사 제조 제품인 조닐(Zonyl)등이 사용될 수 있고, 실리콘 계열의 계면활성제로는 BYK-Chemie사 제조 제품인 BYK™등이 사용될 수 있다. 계면 활성제의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 코팅 효율이나 건조 효율 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.
상기 액정 조성물 또는 이를 포함하는 코팅 조성물에는 상술한 성분 외에 액정 분자의 배향을 방해하지 않는 범위 내에서 중합성 모노머, 폴리머, 분산제, 산화방지제 또는 오존발생방지제 등이 추가로 배합될 수 있다. 추가로, 코팅 조성물은 원한다면 자외선, 적외선 또는 가시광선을 흡수하기 위해 다양한 염료 및 안료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 증점제 및 충진제와 같은 점도 개질제를 첨가하는 것이 적절할 수 있다.
콜레스테릭 배향 액정 조성물은, 예를 들면, 각종 액체 코팅 방법에 의해 상기 기재층에 적용될 수 있다. 일부 구현 양태에서, 코팅 후에, 콜레스테릭 배향 액정 조성물은 콜레스테릭 배향 액정층으로 가교, 중합 또는 전환된다. 이러한 전환은, 용매의 증발 및/또는 액정 분자를 정렬시키기 위한 가열; 콜레스테릭 배향 액정 조성물의 가교 또는 중합; 화학선(actinic) 조사와 같은 열의 인가; 자외선, 가시광선 또는 적외선 등의 광의 조사 및 전자 빔의 조사; 이들의 조합; 또는 유사한 기술을 사용한 콜레스테릭 배향 액정 조성물의 경화를 포함한 다양한 기술에 의해 달성될 수 있다.
상기 제조 방법에서 상기 콜레스테릭 배향 액정 조성물을 코팅하고, 콜레스테릭 배향 액정층을 형성하는 단계는, 예를 들면, 액정 조성물의 코팅층을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
조성물의 성분을 중합시키기에 충분한 양의 자외선을 조사하여 액정층을 형성할 수 있다. 상기 자외선의 조사의 조건은, 조성물의 성분의 중합이 충분하게 진행될 정도로 수행되는 한 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서 상기 자외선의 조사는, 자외선 A 내지 C 영역의 자외선을 약 1 J/cm2 내지 10 J/cm2의 광량으로 조사하여 수행될 수 있다.
상기 액정 렌즈는 상기 기술한 방법 외에도 당 업계에서 사용되는 방법을 제한 없이 이용하여 제조될 수 있다.
본 출원의 다른 구현예는 편광 조절 소자 및 상기 편광 조절 소자에서 출사되는 광이 입사할 수 있도록 배치된 액정 렌즈를 포함하는 광학 필터를 제공한다. 상기 액정 렌즈는, 예를 들면, 전술한 액정 렌즈일 수 있다.
상기 편광 조절 소자는 광이 입사되면 상기 광의 편광 방향을 조절할 수 있다. 편광 조절 소자로는, 예를 들면, 투과형 액정 패널을 이용할 수 있다. 하나의 예시에서 편광 조절 소자로 사용될 수 있는 투과형 액정 패널은 순차적으로 하부 기판, 하부 전극, 하부 배향막, 액정층, 상부 배향막, 상부 전극 및 상부 기판을 포함할 수 있다. 상부 및 하부 전극으로는, 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide) 등의 투명 도전성 전극이 사용될 수 있다. 또한, 상부 및 하부 배향막은, 예를 들면, 폴리이미드 등의 재료를 포함할 수 있다. 액정층은, 예를 들면, VA(Vertical Alignment), TN(Twisted Nematic), STN(Super Twisted Nematic) 또는 IPS(In Plane Switching) 모드의 액정을 포함할 수 있다. 액정층은, 구동 회로로부터 인가되는 전압에 의해서, 입사되는 광의 편광 방향을 제어하는 기능을 가질 수 있다.
하나의 예시에서 도 2와 같이 직선 편광된 광(L1)이 편광 조절 소자(20)를 투과할 수 있다. 이때 상기 소자를 투과한 직선 편광된 광의 편광 방향(A)이 액정 렌즈(10)의 나선축(H)에 수직하도록 편광 조절 소자(20)은 광의 편광 방향(A)을 제어할 수 있다. 광의 편광 방향(A)은 도 2의 (a)에서는 o로 표시되고, 도 2의 (b)에서는 ↕로 표시된다. 즉, 상기 o는 광의 편광 방향이 지면에서 나오거나 들어가는 방향인 경우를 표현한 것이며, 상기 ↕는 광의 편광 방향이 지면과 평행한 경우를 표현한 것이다.
편광 조절 소자(20)로부터 전달된 직선 편광된 광은 액정 렌즈의 나선축과 수직하는 방향으로 편광되어 있어 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받게 된다. 하나의 예시에서 편광 조절 소자로부터 전달된 직선 편광된 광은 액정 렌즈에 입사되는 위치에 따라 분할되어 출사될 수 있다.
다른 예시에서 도 3과 같이 직선 편광된 광(L2)이 편광 조절 소자(20)을 투과할 수 있다. 이때 상기 패널을 투과한 직선 편광된 광의 편광 방향(B)이 액정 렌즈(10)의 나선축(H)에 평행하도록 편광 조절 소자(20)은 광의 편광 방향(B)을 제어할 수 있다. 편광 조절 소자(20)로부터 전달된 직선 편광된 광은 액정 렌즈의 나선축과 평행하는 방향으로 편광되어 있어 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받지 않는다. 그 결과 편광 조절 소자로부터 전달된 직선 편광된 광은 액정 렌즈에 입사되는 위치와 상관 없이 액정 렌즈를 그대로 투과하게 된다.
본 출원의 또 다른 구현예는 액정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다. 상기 액정 렌즈는, 예를 들면, 전술한 액정 렌즈일 수 있다. 그리고, 상기 액정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치는, 예를 들면, 비안경식의 3D 장치일 수 있다.
상기 장치는, 도 4와 같이, 표시 소자(40) 및 액정 렌즈(10)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 장치는 표시 소자 및 액정 렌즈 사이에 편광자를 추가로 포함할 수 있다. 그리고, 상기 장치는 표시 소자의 광학 필터와는 반대측에 순차로 배치된 편광자 및 광원을 추가로 포함할 수 있다. 이하 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 광원 및 표시 소자 사이에 위치하는 편광자는 제 1 편광자로 호칭하고, 제 1 편광자의 반대측에 위치하는 편광자는 제 2 편광자로 호칭한다.
상기 장치에 포함되는 제 1 및 제 2 편광자는 투과축 및 상기 투과축에 직교하는 흡수축이 형성되어 있는 광학 소자이다. 편광자에 빛이 입사되면 편광자는 입사된 빛 가운데 편광자의 투과축 방향과 평행한 편광축을 가지는 빛만을 투과시킬 수 있다.
하나의 예시에서 상기 장치에 포함되는 제 1 편광자의 흡수축과 제 2 편광자의 흡수축은 서로 수직을 이루고 있을 수 있다. 이러한 경우 제 1 및 제 2 편광자의 투과축도 역시 수직을 이루고 있을 수 있다.
광원으로는, 예를 들면, LCD(Liquid Crystal Display)에서 통상적으로 사용되는 직하형(direct type) 또는 에지형(edge type)의 백라이트 유닛(BLU; Back Light Unit)을 사용할 수 있다. 광원으로는 상기 외에도 다양한 종류가 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 장치의 표시 소자는, 구동 상태에서 영상 신호, 예를 들면, 우안용 영상 신호(이하, R 신호) 및 좌안용 영상 신호(이하, L 신호)를 포함하는 영상 신호를 생성할 수 있다. 하나의 예시에서 표시 소자는, 구동 상태에서 R 신호를 생성할 수 있는 우안용 영상 신호 생성 영역(이하, UR 영역); 및 L 신호를 생성할 수 있는 좌안용 영상 신호 생성 영역(이하, UL 영역)을 포함할 수 있다. 그러나, 표시 소자에서 영상 신호 생성 영역을 UR 영역 및 UL 영역으로 호칭하지만, 후술하는 바처럼 영역의 명칭과 상관 없이 표시 소자는 2차원 평면 영상 신호를 생성할 수 있다.
표시 소자는, 예를 들면, 투과형 액정 패널을 포함하는 영역 또는 상기 액정 패널의 액정층에 의해 형성되는 영역일 수 있다. 투과형 액정 패널은, 예를 들면, 광원측으로부터 순차적으로 제 1 기판, 화소 전극, 제 1 배향막, 액정층, 제 2 배향막, 공통 전극 및 제 2 기판을 포함할 수 있다. 광원측의 제 1 기판에는, 예를 들면, 투명 화소 전극에 전기적으로 접속된 구동 소자로서 TFT(Thin Film Transistor)와 배선 등을 포함하는 액티브형 구동 회로가 형성되어 있을 수 있다. 상기 화소 전극은, 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide) 등을 포함하고, 화소별 전극으로 기능할 수 있다. 또한, 제 1 또는 제 2 배향막은, 예를 들면, 폴리이미드 등의 재료를 포함할 수 있다. 액정층은, 예를 들면, VA(Vertical Alignment), TN(Twisted Nematic), STN(Super Twisted Nematic) 또는 IPS(In Plane Switching) 모드의 액정을 포함할 수 있다. 액정층은, 구동 회로로부터 인가되는 전압에 의해서, 광원으로부터의 광을 화소별로 투과 또는 차단하는 기능을 가질 수 있다. 공통 전극은, 예를 들면 ITO 등을 포함하고, 공통의 대향 전극으로 기능할 수 있다.
표시 소자는 하나 이상의 화소(pixel)에 의해 형성되는 UR 및 UL 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 액정 패널에서 제 1 및 제 2 배향막의 사이에 밀봉된 액정을 포함하는 단위 화소 또는 2개 이상의 단위 화소가 조합되어 상기 UR 또는 UL 영역을 형성하고 있을 수 있다.
UR 및 UL 영역은 행 및/또는 열 방향으로 배치되어 있을 수 있다. 도 5는, 예시적인 UR 및 UL 영역의 배치를 나타내는 도면이다. 도 5와 같이, UR 및 UL 영역은 공통 방향으로 연장하는 스트라이프 형상을 가지며, 인접하여 교대로 배치되어 있을 수 있다. 도 6은, 다른 예시적인 배치를 나타내고, UR 및 UL 영역이 격자 패턴으로 서로 인접하여 교대로 배치되어 있다. UR 및 UL 영역의 배치는 도 5 및 6의 배치에 제한되는 것은 아니며, 이 분야에서 알려져 있는 다양한 디자인이 모두 적용될 수 있다.
표시 소자는, 구동 상태에서 신호에 따라 각 영역의 화소를 구동하는 것에 의해서 R 및 L 신호를 포함하는 영상 신호를 생성할 수 있다.
하나의 예시로 상기 장치에서 표시 소자가 R 및 L 신호를 포함하는 영상 신호를 생성하는 과정을 설명한다. 예를 들어, 광원에서 출사한 광이 제 1 편광자에 입사하면, 상기 제 1 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 광만이 제 1 편광자를 투과한다. 투과된 광이 표시 소자에 입사하여, UR 영역을 투과한 광은 R 신호가 되며, UL 영역을 투과한 광은 L 신호가 될 수 있다. R 및 L 신호가 제 2 편광자에 입사하면, 상기 제 2 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 신호만이 상기 제 2 편광자를 투과하여 액정 렌즈에 입사할 수 있다. 하나의 예시에서 제 2 편광자를 투과하여 액정 렌즈에 입사되는 편광된 신호는 직선 편광된 신호일 수 있다. 그리고 상기 직선 편광된 신호는 액정 렌즈의 나선축과 수직하는 방향으로 편광되어 액정 렌즈에 입사할 수 있다.
액정 렌즈는 전술한 바와 같이 호메오트로픽 배향 영역인 콜레스테릭 배향 영역을 포함할 수 있다.
상기 액정 렌즈(10)는, 도 4와 같이 상기 표시 소자(10)로부터 전달되는 광이 투과될 수 있도록 배치될 수 있다. 그리고, 상기 액정 렌즈는, 도 4와 같이, 액정 렌즈의 콜레스테릭 배향 영역의 반피치가 상기 표시 소자의 UR 및 UL 영역의 1 쌍과 대응되도록 배열될 수 있다. 콜레스테릭 배향 영역의 반피치가 UR 및 UL 영역의 1 쌍과 대응되도록 배열되는 것은 1 쌍의 UR 및 UL 영역에서 생성된 영상 신호가 상기 콜레스테릭 배향된 액정 영역의 반피치 내에 입사될 수 있는 배열을 의미하는 것이고, 반드시 1 쌍의 UR 및 UL 영역; 및 콜레스테릭 배향된 액정 영역의 반피치가 동일한 위치 및 크기로 형성되어야 하는 것을 의미하는 것은 아니다.
상기 액정 렌즈를 포함하는 장치가 3차원 입체 영상을 시현하는 구동 과정을 설명한다. 도 4와 같이, 상기 장치가 3차원 입체 영상을 시현하고 있는 상태에서는 표시 소자(40)는 UR 영역에서 R 신호를 생성하고, UL 영역에서 L 신호를 생성할 수 있다. 표시 소자(40)에서 생성된 R 및 L 신호는 액정 렌즈(10)로 입사될 수 있다. 여기서, 표시 소자(40)에서 출사된 R 및 L 신호는 편광 방향이 액정 렌즈(10)의 나선축(H)에 수직하는 방향이 되도록 제어되어 출사될 수 있다. 나선축에 수직하는 방향으로 편광된 R 및 L 신호는 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받아 서로 분할되어 상이한 방향으로 출사될 수 있다. 하나의 예시에서 도 4와 같이 UR 영역에서 생성된 R 신호와 UL 영역에서 생성된 L 신호는 콜레스테릭 배향 영역을 투과하면서 분할될 수 있다. 그리고, 상기 액정 영역을 투과한 R 신호는 관찰자의 우안(HR)에 입사되고, 상기 액정 영역을 투과한 L 신호는 관찰자의 좌안(HL)에 입사될 수 있다. 따라서, 관찰자는 특수 안경, 예를 들면, 셔터 글라스 타입의 안경 또는 편광 안경을 착용하지 않더라도 3차원 입체 영상을 관찰할 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 편광 조절 소자를 추가로 포함할 수 있다. 상기 편광 조절 소자(20)는, 도 7 및 8과 같이, 표시 소자(40)와 액정 렌즈(10) 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 편광 조절 소자는 표시 소자에서 출사된 영상 신호의 편광 방향을 조절하여 상기 액정 렌즈 방향으로 출사시킬 수 있다.
상기 디스플레이 장치는 편광 조절 소자를 포함하여 2차원 평면 영상과 3차원 입체 영상을 겸용하여 표시할 수 있다.
상기 편광 조절 소자는, 예를 들면, 제 2 편광자와 액정 렌즈 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 편광 조절 소자를 포함하는 경우, 상기 표시 소자로는, 예를 들면, 구동 상태에서 2 차원 평면 영상 신호; 또는 R 신호 및 L 신호를 포함하는 영상 신호를 생성할 수 있는 표시 소자를 사용할 수 있다. 이러한 표시 소자는, 구동 상태에서 신호에 따라 각 영역의 화소를 구동하는 것에 의해서 2차원 평면 영상 신호; 또는 R 및 L 신호를 포함하는 영상 신호를 생성할 수 있다.
하나의 예시로 상기 편광 조절 소자를 포함하는 장치에서 표시 소자가 R 및 L 신호를 포함하는 영상 신호를 생성하는 과정을 설명한다. 예를 들어, 광원에서 출사한 광이 제 1 편광자에 입사하면, 상기 제 1 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 광만이 제 1 편광자를 투과한다. 투과된 광이 표시 소자에 입사하여, UR 영역을 투과한 광은 R 신호가 되며, UL 영역을 투과한 광은 L 신호가 될 수 있다. R 및 L 신호가 제 2 편광자에 입사하면, 상기 제 2 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 신호만이 상기 제 2 편광자를 투과하여 광학 필터에 입사할 수 있다.
다른 예시로 상기 편광 조절 소자를 포함하는 장치에서 표시 소자가 2차원 평면 영상 신호를 생성하는 과정을 설명한다. 예를 들어, 광원에서 출사한 광이 제 1 편광자에 입사하면, 상기 제 1 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 광만이 제 1 편광자를 투과한다. 투과된 광이 표시 소자에 입사하여 2차원 평면 영상 신호를 생성하는 경우에는 UR 영역을 투과한 광 및 UL 영역을 투과한 광은 동일하게 2차원 평면 영상 신호가 될 수 있다. 이렇게 생성된 2차원 평면 영상 신호가 제 2 편광자에 입사하면, 상기 제 2 편광자의 투과축과 평행하게 편광된 신호만이 상기 제 2 편광자를 투과하여 광학 필터에 입사할 수 있다.
광학 필터는 편광 조절 소자에서 광의 편광 방향의 제어하는 것에 따라 편광 조절 소자를 투과한 광이 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받는지 여부가 결정된다. 이에 따라 광학 필터의 편광 조절 소자의 광의 편광 방향 제어에 따라 상기 장치는 2차원 평면 영상을 시현하거나 3차원 입체 영상을 시현할 수 있다.
상기 광학 필터가 장착된 장치가 3차원 입체 영상을 시현하는 구동 과정을 설명한다. 도 7과 같이, 상기 장치가 3차원 입체 영상을 시현하고 있는 상태에서는 표시 소자(40)는 UR 영역에서 R 신호를 생성하고, UL 영역에서 L 신호를 생성할 수 있다. 표시 소자(40)에서 생성된 R 및 L 신호는 편광 조절 소자(20)로 입사될 수 있다. 편광 조절 소자(20)은 입사된 R 및 L 신호의 편광 방향이 액정 렌즈(10)의 나선축(H)에 수직하는 방향이 되도록 R 및 L 신호의 편광 방향을 제어할 수 있다. 나선축에 수직하는 방향으로 편광된 R 및 L 신호는 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받아 서로 분할되어 상이한 방향으로 출사될 수 있다. 하나의 예시에서 도 7과 같이 UR 영역에서 생성된 R 신호와 UL 영역에서 생성된 L 신호는 콜레스테릭 배향된 액정 영역을 투과하면서 분할될 수 있다. 그리고, 상기 액정 영역을 투과한 R 신호는 관찰자의 우안(HR)에 입사되고, 상기 액정 영역을 투과한 L 신호는 관찰자의 좌안(HL)에 입사될 수 있다. 따라서, 관찰자는 특수 안경, 예를 들면, 셔터 글라스 타입의 안경 또는 편광 안경을 착용하지 않더라도 3차원 입체 영상을 관찰할 수 있다.
상기 광학 필터가 장착된 장치가 2차원 평면 영상을 시현하는 구동 과정을 설명한다. 도 8과 같이 2차원 평면 영상을 시현하고 있는 상태에서는 표시 소자(40)는 2차원 평면 영상 신호를 생성할 수 있다. 표시 소자(40)에서 생성된 2차원 평면 영상 신호는 편광 조절 소자(20)로 입사될 수 있다. 편광 조절 소자(20)은 입사된 2차원 평면 영상 신호의 편광 방향이 액정 렌즈(10)의 나선축(H)에 평행하는 방향이 되도록 상기 신호의 편광 방향을 제어할 수 있다. 나선축에 평행하는 방향으로 편광된 신호는 액정 렌즈의 광학 이방성에 영향을 받지 않고 그대로 액정 렌즈를 투과할 수 있다. 하나의 예시에서 도 8과 같이 UR 영역 및 UL 영역에서 생성된 2차원 평면 영상 신호는 콜레스테릭 배향된 액정 영역을 그대로 투과할 수 있다. 그 결과 관찰자는 2차원 평면 영상을 관찰할 수 있다.
상기 장치는 광학 필터를 적용하여 2차원 평면 영상과 3차원 입체 영상을 겸용하여 표시할 수 있다는 점 외에는 당 업계에서 통상적으로 채용하는 구성 및 방법에 의하여 구현할 수 있다.
본 출원의 예시적인 액정 렌즈는 입사되는 광의 편광 상태에 따라 광학 이방성 및 광학 등방성을 나타낼 수 있다. 이러한 액정 렌즈는, 평면 영상 및 입체 영상을 생성할 수 있는 디스플레이 장치에 적용할 경우, 광학 이방성을 나타내는 상태에서는 안경 없이 입체 영상을 감상할 수 있도록 하며, 광학 등방성을 나타내는 상태에서는 평면 영상을 감상할 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 예시적인 렌즈층의 콜레스테릭 배향 영역의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 예시적인 광학 필터에서 편광 조절 소자가 광의 편광 상태를 액정 렌즈의 나선축과 수직하도록 제어한 경우에 (a)에서는 예시적인 광학 필터를 상부에서 관찰한 단면을 개략적으로 나타낸 것이고, (b)에서는 상기 광학 필터를 측면에서 관찰한 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 예시적인 광학 필터에서 편광 조절 소자가 광의 편광 상태를 액정 렌즈의 나선축과 평행하도록 제어한 경우에 (a)에서는 예시적인 광학 필터를 상부에서 관찰한 단면을 개략적으로 나타낸 것이고, (b)에서는 상기 광학 필터를 측면에서 관찰한 단면을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 예시적인 비안경식 3D 장치가 3차원 입체 영상을 시현하는 구동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 6은 UR 영역과 UL 영역의 예시적인 배치를 보여주는 도면이다.
도 7는 예시적인 2D 및 3D 영상 겸용 디스플레이 장치가 3차원 입체 영상을 시현하는 구동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 예시적인 2D 및 3D 영상 겸용 디스플레이 장치가 2차원 평면 영상을 시현하는 구동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 실시예에서 디스플레이 장치가 L 및 R 신호를 분할하여 출사하는지 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시예의 디스플레이 장치가 L 및 R 신호를 분할하여 출사한다는 것을 보여주는 그래프이다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 액정 렌즈, 편광 조절 소자 및 디스플레이 장치를 보다 상세히 설명하나, 상기 렌즈, 소자 및 장치가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
(1) 액정 렌즈 및 광학 필터의 제조
콜레스테릭 배향 액정 조성물로는, 이상 굴절률(ne)과 정상 굴절률(no)의 차이(ne-no)는 약 0.4인 액정 분자를 포함하는 조성물을 사용하였다. 액정 필름에 제조에 일반적으로 사용되는 수직 배향막이 형성되어 있는 기재층을 사용하여 액정 렌즈를 제조하였다. 구체적으로는 상기 수직 배향막상에 두께가 약 4.78 ㎛ 정도의 층이 형성되도록 도포하고, 콜레스테릭 배향시킨 상태에서 중합하여 액정 렌즈를 형성하였다. 상기 액정 렌즈의 콜레스테릭 배향 영역의 피치(P)는 약 300 ㎛이었다.
또한, 액정 패널의 제조에 일반적으로 사용되는 방식에 의하여 준비된 편광 조절 소자의 일면에 상기 액정 렌즈를 배치하여 광학 필터를 제조하였다.
(2) 디스플레이 장치의 제조
상기에서 제조된 광학 필터를 렌티큘라 렌즈 타입의 통상적인 3D 장치에 렌티큘라 렌즈로서 적용하여 디스플레이 장치를 제조하였다. 구체적으로, 도 7과 같이 표시 소자(40)의 광이 출사되는 면에 광학 필터(30)의 편광 조절 소자(20)가 접하도록 배치하여 장치를 제조하였다.
시험예
상기 디스플레이 장치에서 편광 조절 소자가 액정 렌즈의 나선축에 수직하게 선편광된 광을 액정 렌즈로 입사하도록 제어한 경우, 특수 안경 없이 3차원 입체 영상을 감상할 수 있는지 하기와 같은 방식으로 평가하였다.
우선 도 9와 같이 디스플레이 장치를 관찰할 수 있는 관측 지점(도 9의 X선과 맞닿는 임의의 지점)에 휘도계(SR-UL2 Spectrometer, 50)를 배치하였다. 이어서, 상기 장치가 L 신호를 출력하도록 한 상태에서 휘도계로 휘도를 측정하였다. 장치와의 거리를 유지하되, 도 9의 X선을 따라 수평 방향으로 상기 휘도계(50)를 이동시키면서 각각의 경우의 휘도를 측정하였다. 상기 각각의 경우의 휘도를 측정하고, 그 휘도를 각 지점에서의 L 신호의 세기로 규정하였다. 마찬가지로 상기 장치가 R 신호를 출력하도록 한 상태에서 휘도계를 이동시키면서 각각의 경우의 휘도를 측정하였다. 그리고, 그 휘도를 지점에서의 R 신호의 세기로 규정하였다.
각 지점에서의 L 신호 및 R 신호의 세기는 표 1 및 도 10에 나타내었다.
하기 표 1에서 측정각(θ)은, 도 9에서 Y선과 편광 조절 소자의 면이 닿는 지점(S1)과 휘도계의 중심 지점(S2)을 연결한 가상의 선이 Y선과 이루는 각도로 정의된다. 그리고, 휘도계가 Y선의 오른편에 존재하는 경우 측정각은 양의 값으로 정의하고, 휘도계가 Y선의 왼편에 존재하는 경우 측정각을 음의 값으로 정의하였다. 상기에서 Y선은 장치의 중앙을 통과하고, 장치의 면에 대한 법선으로 정의될 수 있다.
측정각(단위: 도) L 신호의 세기a 측정각(단위: 도) R 신호의 세기b
-6 0 3 0
-5.9 10.4528 3.1 10.4528
-5.8 20.7912 3.2 20.7912
-5.7 30.9017 3.3 30.9017
-5.6 40.6737 3.4 40.6737
-5.5 50 3.5 50
-5.4 58.7785 3.6 58.7785
-5.3 66.9131 3.7 66.9131
-5.2 74.3145 3.8 74.3145
-5.1 80.9017 3.9 80.9017
-5 86.6025 4 86.6025
-4.9 91.3545 4.1 91.3545
-4.8 95.1057 4.2 95.1057
-4.7 97.8148 4.3 97.8148
-4.6 99.4522 4.4 99.4522
-4.5 100 4.5 100
-4.4 99.4522 4.6 99.4522
-4.3 97.8148 4.7 97.8148
-4.2 95.1057 4.8 95.1057
-4.1 91.3545 4.9 91.3545
-4 86.6025 5 86.6025
-3.9 80.9017 5.1 80.9017
-3.8 74.3145 5.2 74.3145
-3.7 66.9131 5.3 66.9131
-3.6 58.7785 5.4 58.7785
-3.5 50 5.5 50
-3.4 40.6737 5.6 40.6737
-3.3 30.9017 5.7 30.9017
-3.2 20.7912 5.8 20.7912
-3.1 10.4528 5.9 10.4528
-3 0 6 0
a, b: L 및 R 신호의 세기는 최대 휘도가 측정된 지점에서 신호의 세기를100으로 한 상대 세기이다.
10: 액정 렌즈
20: 편광 조절 소자
30: 광학 필터
40: 표시 소자
50: 휘도계
100: 렌즈층 또는 콜레스테릭 배향 영역

Claims (14)

  1. 콜레스테릭 배향된 액정 분자를 포함하는 콜레스테릭 배향 영역을 포함하는 렌즈층을 포함하며, 상기 콜레스테릭 배향 영역은 호메오트로픽 배향 영역이며, 상기 렌즈층은 하기 수식 2에 따른 초점 거리(F)가 0.1 mm 내지 10 cm인 액정 렌즈:
    [수식 2]
    F = P2/(32×d×△n)
    상기 수식 2에서 P는, 콜레스테릭 배향 영역의 피치이고, d는 렌즈층의 두께이며, △n는, 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 이상 굴절률(ne)과 정상 굴절률(no)의 차이(ne-no)이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 콜레스테릭 배향 영역은, 상기 영역의 나선축과 수직하게 선편광된 광에 대하여 하기 수식 1에 따른 굴절률 분포를 나타내는 액정 렌즈:
    [수식 1]
    neff(x) = neno / (ne 2 cos2θ(x) + no 2 sin2θ(x))1/2
    상기 수식 1에서, x는 콜레스테릭 배향 영역의 좌표로서 0 내지 P/2 사이의 임의의 수이고, 상기에서 P는 콜레스테릭 배향 영역의 피치이며, neff(x)은 x 지점에서의 상기 선편광된 광에 대한 콜레스테릭 배향 영역의 굴절률이고, ne는 액정 분자의 이상 굴절률이며, no는 액정 분자의 정상 굴절률이고, θ(x)는, x가 0인 지점에서의 액정 분자의 광축에 대한 해당 좌표에서의 액정 분자의 광축의 각도이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 콜레스테릭 배향 영역의 피치가 0.1 ㎛ 내지 10 cm인 액정 렌즈.
  4. 제 1 항에 있어서, 콜레스테릭 배향 영역의 액정 분자의 이상 굴절률(ne)과 정상 굴절률(no)의 차이(ne-no)가 0.01 내지 0.6인 액정 렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서, 렌즈층의 두께가 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인 액정 렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서, 렌즈층에서 액정 분자는, 가교 또는 중합된 상태로 존재하는 액정 렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서, 기재층을 추가로 포함하고, 렌즈층이 상기 기재층의 일면에 형성되어 있는 액정 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서, 기재층과 렌즈층의 사이에 수직 배향막을 추가로 포함하는 액정 렌즈.
  9. 입사광의 편광 방향을 조절할 수 있도록 구성된 편광 조절 소자; 및 상기 편광 조절 소자에서 출사되는 광이 입사할 수 있도록 배치된 제 1 항의 액정 렌즈를 포함하는 광학 필터.
  10. 제 9 항에 있어서, 편광 조절 소자는 입사광의 상태를 액정 렌즈의 콜레스테릭 배향 영역의 나선축에 수직하게 편광된 선편광 또는 상기 나선축에 평행하게 편광된 선편광으로 조절하여 출사할 수 있도록 구성되어 있는 광학 필터.
  11. 우안용 및 좌안용 영상 신호를 포함하는 영상 신호를 출사할 수 있도록 구성된 표시 소자; 및 상기 표시 소자에서 출사된 영상 신호가 입사될 수 있도록 배치된 제 1 항의 액정 렌즈를 포함하는 디스플레이 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 액정 렌즈는, 표시 소자에서 출사된 한쌍의 우안용 및 좌안용 영상 신호가 콜레스테릭 배향 영역의 반피치에 대응되는 영역으로 입사될 수 있도록 배치되어 있는 디스플레이 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 표시 소자와 액정 렌즈의 사이에 배치되어 있고, 상기 표시 소자에서 출사된 영상 신호의 편광 방향을 조절하여 상기 액정 렌즈 방향으로 출사시킬 수 있도록 구성된 편광 조절 소자를 추가로 포함하는 디스플레이 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 편광 조절 소자는 영상 신호의 상태를 액정 렌즈의 콜레스테릭 배향 영역의 나선축에 수직하게 편광된 선편광 또는 상기 나선축에 평행하게 편광된 선편광으로 조절하여 출사할 수 있도록 구성되어 있는 디스플레이 장치.
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